連桿機構(gòu)分析和設(shè)計

1、第三章 連桿機構(gòu)分析和設(shè)計通過前面章節(jié)的學(xué)習(xí)，我們已經(jīng)知道：日常生活中見到的機器，雖然千差萬別,讓人眼花繚亂，但他們無非是由聯(lián)接件、傳動件、軸系件等零件和一些機構(gòu)組成。（如作為交通工具：自行車、汽車、火車、飛機、輪船、坦克等機 床：車床、銑床、刨床、鉆床、磨床、鏜床和鉸床等日 常：手表、縫紉機、玩具等聯(lián)接件：螺紋、鍵、銷、鉚、焊、膠、過盈等傳動件：帶、鏈、齒輪、蝸桿、螺旋等通用零件 軸系件：軸、軸承、聯(lián)軸器、離合器、制動器等零件 其他件：彈簧、箱體、變速器等專用零件：曲軸、活塞、連桿、導(dǎo)軌、葉輪等從另一個角度看，這些機械設(shè)備無非是由各種機構(gòu)組成，組成機器的常見的機構(gòu)有：連桿機構(gòu)：折疊傘、公共汽

2、車車門開閉機構(gòu)、機器人、飛機起落架等凸輪機構(gòu)：內(nèi)燃機配汽機構(gòu)等自動、半自動生產(chǎn)線上應(yīng)用廣泛齒輪機構(gòu)：汽車減速箱、車床變速箱、電腦光驅(qū)等機構(gòu) 棘輪機構(gòu)：開關(guān)、鐘表等間歇運動機構(gòu)槽輪機構(gòu)：電影放映機的間歇卷片機構(gòu)等 其他機構(gòu) 螺旋機構(gòu)：千斤頂、扳手、螺旋測微器、車床進刀機構(gòu)等帶傳動機構(gòu)：壓面機、車床、拖拉機等鏈傳動機構(gòu)：自行車、有些摩托車等我們在中學(xué)學(xué)過庖丁解牛這篇文章，庖丁可以做到目無全牛，他看到的只是肌肉，骨骼等。用生物觀點說就是運動系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、泌尿、內(nèi)分泌、生殖和神經(jīng)系統(tǒng)等，雖然每個牛形態(tài)各異，但這八大系統(tǒng)都大同小異。我們知道機械設(shè)備無非是由聯(lián)接件、傳動間、軸系件以及

3、由齒輪機構(gòu)、螺旋機構(gòu)、連桿機構(gòu)、凸輪機構(gòu)等組成。對這些基本機構(gòu)知道以后，我們對各種機械設(shè)備的認(rèn)識也就可以做到游刃有余了。在這些基本機構(gòu)中，齒輪機構(gòu)，螺旋機構(gòu)我們已經(jīng)學(xué)過了。下面我們學(xué)習(xí)連桿機構(gòu)和凸輪機構(gòu)以及間歇運動機構(gòu)。首先學(xué)習(xí)平面連桿機構(gòu)（平面低副機構(gòu)）3-1平面連桿機構(gòu)的應(yīng)用、類型及特點（一）連桿機構(gòu)應(yīng)用非常廣泛：各種機械和儀表，折疊傘的收放機構(gòu)，公共汽車車門開閉機構(gòu)，人體假肢，手搖唧筒，牛頭刨床工作部分，風(fēng)扇搖頭機構(gòu)，機器人等都是連桿機構(gòu)。（二）連桿機構(gòu)的分類：（所占空間位置） 絞鏈四桿機構(gòu)（含轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)） 四桿機構(gòu) 平面連桿機構(gòu) 曲柄滑塊機構(gòu)（含有移動副的四桿機構(gòu)）多桿機構(gòu)：如五

4、桿機構(gòu)。 連桿機構(gòu) 空間連桿機構(gòu)：機械手，機器人。 在連桿機構(gòu)中，其構(gòu)件多呈桿狀（連桿體），故 常 稱為“ 桿”。連桿機構(gòu)又常根據(jù)其所含的桿的個數(shù)而命名（如四桿機構(gòu)，五桿機構(gòu)）。 平面四桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)最簡單，應(yīng) 用又最廣泛，且為多桿機構(gòu)的基礎(chǔ)。因此，我們在此重點學(xué)習(xí)：一. 平面四桿機構(gòu)的應(yīng)用和類型：（展示一個四桿機構(gòu)）手畫圖。(一)基本概念： 機 架：相對固定不動的桿，或稱為靜件。連架桿：與機架相連的桿，或稱臂。曲柄：能作整周回轉(zhuǎn)的連架桿。搖桿：只能在一定的范圍內(nèi)擺動的連架桿。連桿：不和機架直接相連的桿件。連桿機構(gòu)：具有連桿的機構(gòu)統(tǒng)稱為連桿機構(gòu)。(二)鉸鏈四桿機構(gòu)：（含轉(zhuǎn)動副的四桿機構(gòu)四桿機構(gòu)最基

5、本的型式）根據(jù)連架桿運動形式的不同分類 各桿長度不同，機架的選取不同，可形成不同的四桿機構(gòu)。曲柄搖桿機構(gòu)：應(yīng)用廣雙曲柄機構(gòu)：雙搖桿機構(gòu)：1.曲柄搖桿機構(gòu)：在四桿機構(gòu)中，曲柄和搖桿同時存在的機構(gòu)Page: 29。應(yīng)用舉例：A.破碎機的顎式破碎機構(gòu)。（圖3-5） B.雷達天線的俯仰機構(gòu)。（圖3-6）C.砂輪機的驅(qū)動機構(gòu)，縫紉機驅(qū)動機構(gòu)（踏板機構(gòu)）。（圖3-2） D.攪拌機的攪拌機構(gòu)。（圖3-7） E影片機構(gòu)(有些電影放映機):抓片爪插入影片孔,撥動影片往下移動一幅。運動轉(zhuǎn)化: 曲柄主動:曲柄整周回轉(zhuǎn)搖桿往復(fù)擺動 搖桿主動:搖桿往復(fù)擺動曲柄做圓周運動2.雙曲柄機構(gòu):在四桿機構(gòu)中,除機架和連桿外,其余

6、兩構(gòu)件均為曲柄。 應(yīng)用舉例:A.攝影平臺升降機構(gòu)(P27 圖3-10平行四邊形機構(gòu)). B.慣性篩。(P26. 圖3-8平行四邊形機構(gòu)，雙曲柄機構(gòu)). C.機車車輪聯(lián)動機鉤。（圖3-10） D.車門開閉機構(gòu)。(反平行四邊機構(gòu)) E.天平。(天平盤保持水平)運動轉(zhuǎn)變:勻速轉(zhuǎn)動急回特性的運動. 3.雙搖桿機構(gòu):應(yīng)用舉例: A.翻臺式造型機. B.鶴式起重機的變幅機構(gòu).(P7.圖3-12). C.汽車前輪轉(zhuǎn)向操縱機構(gòu)。(等腰梯形機構(gòu))近似純滾動，減磨。（P27.圖3-13） D.風(fēng)扇搖頭機構(gòu).運動轉(zhuǎn)變:一種擺動另一種擺動(角速度不等).(三) 含有移動副的四桿機構(gòu): 曲柄滑塊機構(gòu) 導(dǎo)桿機構(gòu) 正弦機構(gòu)

7、 正切機構(gòu)1. 曲柄滑塊機構(gòu) 1演化過程:回轉(zhuǎn)副移動副 對心曲柄滑塊機構(gòu)：圖3-14 b) S=2r偏置曲柄滑塊機構(gòu) :圖3-14 a)2組成:機架(導(dǎo)桿)、曲柄、滑塊、連桿。3運動轉(zhuǎn)化:曲柄主動:整周連續(xù)轉(zhuǎn)動往復(fù)直線運動 如：壓力機 滑塊主動:整周連續(xù)轉(zhuǎn)動往復(fù)直線運動 如：內(nèi)燃機4應(yīng)用: 內(nèi)燃機,蒸汽機,空氣壓縮機。 曲柄壓力機(沖床)。2.導(dǎo)桿機構(gòu):連架桿對滑塊運動起導(dǎo)向作用.擺動 導(dǎo)桿機構(gòu)轉(zhuǎn)動(回轉(zhuǎn))導(dǎo)桿機構(gòu)3.正弦機構(gòu)(雙滑塊機構(gòu)): （P28圖3-15 或 P30圖3-22a ）h=Lsina用于儀表和計算裝置中(如印刷機械、機床、紡織機械等) 如縫紉機中針桿機構(gòu),機床變速箱操縱機構(gòu)

8、.4.正切機構(gòu): 二. 平面連桿機構(gòu)的優(yōu)缺點:1.優(yōu)點:1 承載能力大,易潤滑,摩擦小:低副面接觸(柱面或平面) 壽命長2 易制造: 凸輪難制3 自身能實現(xiàn)力的封閉:不象凸輪要彈簧等配件4 能實現(xiàn)多種運動規(guī)律和運動軌跡.2 缺點:1 慣性力難平衡(低速),動載荷。2 設(shè)計復(fù)雜。3 積累誤差(空隙),效率低。要揚長避短。 32 鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件一.轉(zhuǎn)動副A為周轉(zhuǎn)副的條件： 機架 曲柄 連架桿 搖桿 曲柄搖桿機構(gòu)：有曲柄，1個 鉸鏈四桿機構(gòu) 雙曲柄機構(gòu)： 有曲柄，2個 雙搖桿機構(gòu)： 無曲柄三種形式區(qū)別的關(guān)鍵：有無曲柄的存在和曲柄的數(shù)量 如圖，假設(shè)： AB=a BC=b CD=c AD=dA

9、為周轉(zhuǎn)副（AB桿相對與AD桿能作整周回轉(zhuǎn)）的條件： A為周轉(zhuǎn)副=AB線與AD共線 AB能轉(zhuǎn)至位置：在中,+ = AB能轉(zhuǎn)至位置：在中, a+db+c a+db+c = bd-a+c = a+bd+c cd-a+b a+cd + b ab = ac 即AB為最短桿 ad 綜上所述：A為周轉(zhuǎn)副的條件：1.桿長條件：最短桿與最長桿的長度之和應(yīng)小于或等于其它兩桿的長度之和。 a+db+c a+bd+c a+cd+b2. 最短桿條件：組成該周轉(zhuǎn)副的兩桿中必有一桿為四桿中的最短桿。引深：（1）四桿機構(gòu)中，當(dāng)滿足桿長條件時，其最短桿參與構(gòu)成的轉(zhuǎn)動副都是周轉(zhuǎn)副。Here A、B是; C、D不是 （2）平行四邊

10、形機構(gòu)，不論取何桿為機架，均為雙曲柄機構(gòu)。二鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件：1 桿長條件。2 最短桿為連架桿或機架。三推論（判斷鉸鏈四桿機構(gòu)的類型的方法）1 不滿足桿長條件，無論取何桿為機架，均為：雙搖桿機構(gòu)。2 滿足桿件條件，若取最短桿為連架桿時：曲柄搖桿機構(gòu)。滿足桿件條件，若取最短桿為連桿時：雙搖桿機構(gòu)。滿足桿件條件，若取最短桿為機架時：雙曲柄機構(gòu)。舉例：若以圖示鉸鏈四桿機構(gòu)的1、2、3、4依次作為機架時，可分別得到什么機構(gòu)? 1作機架：雙曲柄機構(gòu)2作機架：曲柄搖桿機構(gòu)3作機架：雙搖桿機構(gòu)4作機架：曲柄搖桿機構(gòu)實用： 破碎機的鄂式破碎機構(gòu) 曲柄搖桿機構(gòu) 攪拌機的攪拌機構(gòu) 攝影平臺的升降機構(gòu) 雙曲

11、柄機構(gòu) 機車車輪聯(lián)動機構(gòu) 翻臺式造型機 雙搖桿機構(gòu) 電風(fēng)扇的搖頭機構(gòu)四.鉸鏈四桿機構(gòu)的壓力角和傳動角.理想狀態(tài)(f,G,a慣性力均不考慮) 力傳遞:ABBCC傳給CD 分解為 Pt速度方向(有效分力) Pt=Pcos=Psin Pn DC方向 壓力角：力的方向與速度方向之間所夾的銳角。 越小越好 傳動角: 壓力角的余角稱為傳動角 （銳角）。=90o-。 有效分力Pt=psin. Pn=pcos. Pt,Pn傳動越有利。 min：通常：min40o ,具體設(shè)計鉸鏈四桿機構(gòu)時，一定要檢驗。 大力時：min50o 當(dāng)BCD90o時，=BCD BCD=（90o ） BCD90o時，=180o-BCD

12、=180o-（90o）P33.( 圖3-26 ) 在ABD和BDC中， BD2=a2+ d2-2adcos BD2=b2+ c2-2bccos = cos=( b2+ c2 -a2- d2 +2adcos) /(2bc) 可見，與各桿長（a,b,c,d），原動件轉(zhuǎn)角（）有關(guān) cosmin= b2+ c2-(d-a)2 （2bc） = cosmax= b2+ c2-(d+a)2 /（2bc） 得 min=min min=1800-max 最小傳動角大?。簃in , min 中較小者 最小傳動角位置： 曲柄和機架共線時。(=0o 或 =180o ) 連桿和搖桿的夾角 原動件的轉(zhuǎn)角 傳動角 壓力角

13、演化知：曲柄滑塊機構(gòu)：曲柄主動時，min出現(xiàn)在曲柄兩次垂直于滑塊導(dǎo)路的瞬時位置。對心：兩次相等。偏置：不等。 33 平面四桿機構(gòu)的演化型式實際中多種連桿機構(gòu)成 四桿機構(gòu)( 滿足實際要求 )一. 擴大轉(zhuǎn)動副：當(dāng)曲柄AB很短且傳力較大時，可將其做成圓盤。幾何中心與回轉(zhuǎn)中心距AB 偏心輪機構(gòu)幾何中心與回轉(zhuǎn)中心不一致1 偏心輪（偏心軸）AB偏心距（等于曲柄長） 二.轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化為移動副：三.選用不同的構(gòu)件為機架： 1.絞鏈四桿機構(gòu)（各桿長度不變）。 2.含有一個移動副的四桿機構(gòu)。3.轉(zhuǎn)動副C和D轉(zhuǎn)化為移動副后的機構(gòu)：P31/圖3-23/3五.急回運動和行程速比系:極位. 重疊共線., 如圖: 共線 拉成

14、一條直線 如圖,了解運動特性(急回運動).1.極位夾角q：:機構(gòu)在兩個極位時，原動件所處的兩個位置所夾的銳角. 曲柄角度 搖桿角度 時間 速度 正行程：w1=180+q 逆w t1 順時針勻速轉(zhuǎn)動: 反行程：w2=180-q 順w t2 Q w1w2， t1t2 即 即正行程所需的時間反行程所需的時間。(t1t2).正行程的速度0 增大（3） 用力和力矩來計算：A: 以驅(qū)動力和驅(qū)動力矩計算： 已知：主動輪1在驅(qū)動力F作用下，以逆時針轉(zhuǎn)動，帶付從動帶輪2，使載活G(工作阻力)以速度運動。 圖354 帶傳動（歸納法） （a） 在理想狀態(tài)下，克服同樣的G需驅(qū)動力 ( F)此時理想機械效率 (b) 代

15、入（a） 用力矩表示 （不必算W和N）B: 以工作阻力或阻力矩計算： 在理想機械中，同樣大小的驅(qū)動力（或驅(qū)動力矩）所能克服的工作阻力為（或阻力矩） 由(a)式 代入(b) 力矩表示（不必算 W 和N）（4）用其他方法計算 ：實驗法 查手冊法（一般常用機械都有）五 機械自鎖3-6 平面四桿機構(gòu)設(shè)計一.四桿機構(gòu)的運動特征及設(shè)計的基本問題：復(fù)雜1.桿機構(gòu)的運動特征：（1） 連架桿（搖桿）轉(zhuǎn)角曲線：圖357 圖358能表征明四桿機構(gòu)運動特征（2） 連桿機構(gòu) . 359 （a）難以用其中的一條連桿曲線來表征該四桿機構(gòu)的運動特征。連桿轉(zhuǎn)角曲線 圖359 (a)能表證四桿機構(gòu)運動特征2.四桿機構(gòu)設(shè)計的三類基

16、本問題： 函數(shù)機構(gòu)設(shè)計：主動連架桿和從動連架桿 函數(shù) 等 軌跡機構(gòu)設(shè)計：連桿上某一點實現(xiàn)軌跡 圖359 a) 導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計：連桿通過固定幾個位置 圖360二. 函數(shù)機構(gòu)設(shè)計：主動連架桿和從動連架桿間實現(xiàn)給定函數(shù)1 解析法： 按給定兩連架桿的對應(yīng)三個位置設(shè)計四桿機構(gòu)（1） 例：如圖所示，已知連架桿AB和C相對預(yù)計架AD的三組對應(yīng)位置角， 和。 要求設(shè)計此四桿機構(gòu)。解：定質(zhì). 求a, b, c, d.1) 取直角桌坐標(biāo)系xAy .(AD為x軸), ,.逆時針為證。 為去，兩邊平方并整理得： (1) 令 （337） （2）代入（1）得：鉸鏈四桿機構(gòu)的位置方程：（3）將已知的， 和代入（3）又由（2）

17、得： 當(dāng)選定d后，可求出a, b, c.例21 設(shè)計一鉸鏈四桿機構(gòu)，要求兩連架桿的對應(yīng)位置各為： 試用解析法確定各桿長度。解：由 代入 解得：取d=10mm (2) 如圖361已知： 求：a , b , c , d . 圖361解：根據(jù)圖示坐標(biāo)系： （371） 消去并整理得： （372）引入?yún)?shù) （373）得： （374）鉸鏈四桿機構(gòu)的位置方程：討論：（1）參數(shù)：要五個方程： i =1 ,2 ,3 ,4 ,5 .最多解五個對應(yīng)位置。 一般給三個位置（2）當(dāng)給定三組參數(shù)時： 可令 ，為常數(shù)。代入（374）求出令d （或a）為某一常值 解得a, b, c, ( 或b ,c ,d)例352.數(shù)值比較

18、法：（1）要實現(xiàn)五個以上對應(yīng)位置（可以為無窮多個對應(yīng)位置） （2）連續(xù)的傳動函數(shù) 3.圖解法： 按從動件急回特性設(shè)計四桿機構(gòu)（按K 設(shè)計四桿機構(gòu)）例36 例：若已知搖桿機構(gòu)的長度，搖桿的擺角和行程速比系數(shù)k，試設(shè)計一曲柄搖桿機構(gòu)。 解：關(guān)鍵A.(1)由K求 畫已知條件(2)作搖桿兩極限位置和：選， 按，作D點(3)連 作輔助圓O :(無限多個) 這時找到圓心，同弦所對圓心角等于圓周角兩倍(4)選點A.求，o 三 軌跡機構(gòu)設(shè)計： 圖366 lll 連趕上某一點實現(xiàn)軌跡1.解析法：關(guān)鍵： 求出M(x,y) 圖366(1) 在xAy坐標(biāo)系中 B點 （377）或 C點 （378）（377）消去得： （

19、378）消去得： （379）令 由上式消去， 得M點位置方程（即連桿曲線方程）為： （380）引入等號： 待定參數(shù)書：a , b , c ,d , e , g . 六個.可精確實現(xiàn)6個點 ， 六個方程（2） 在圖366 坐標(biāo)系中由9個參數(shù)：可精確實現(xiàn)9個點 難 （求解，實現(xiàn)）(3)一般46個精確點，其余自定。四. 導(dǎo)引機構(gòu)設(shè)計：連桿通過固定位置 (一)圖解法（兩個或三個固定位置）1 給定連桿的兩個位置設(shè)計四桿機構(gòu)例：已知連桿上兩轉(zhuǎn)動副中心角的距離為LBC, 又已知連桿的兩工作位置和設(shè)計此四桿機構(gòu)并確定AD,AB,CD的長度LADLABLCD。解 ：關(guān)鍵找出AD,位于以A為圓心的圓弧上（1）畫已

20、知條件：選， 畫出,。(2)連并分別作其中垂線。(3)AD分別是上任迭，多解。(4)連 AB1C1D而得。（，） 有無窮多個解2.給定連桿的三個位置設(shè)計四桿機構(gòu)：（三點未已確定一個圓心）。例：如圖，,為連桿所要達到三個位置，要求設(shè)計此四桿機構(gòu)。 解：關(guān)鍵AD(1) 畫已知條件：選，, 。(2) 連，并作中垂線。(3) 交點為AD。(4) 連。， 有唯一解(二)解析法：(不要求)圖3-70位置多于3個時。（j=1,2） 關(guān)鍵：找出A,D點。 3-7 機器人操作機 資料 軟件 運動鏈： CD-ROM:工業(yè)機器人： 示例：思 考 題3.1連桿機構(gòu)為什么稱低副機構(gòu)？它有何特點？常用于何種場合？答：連桿

21、機構(gòu)是由一些剛性構(gòu)件用平面低副聯(lián)接而成的機構(gòu)，所以稱為低副機構(gòu)。特點是：傳力大，易制造，不需其他配件，但設(shè)計困難。廣泛應(yīng)用各種機械和儀表中，是一種常用機構(gòu)。3.2鉸鏈四桿機構(gòu)有哪幾種形式？它們各有何區(qū)別？答：3.3四桿機構(gòu)有哪些基本類型，它們是通過何種途徑從鉸鏈四桿機構(gòu)演化而來的？答： 它們是通過擴大轉(zhuǎn)動副，轉(zhuǎn)動副轉(zhuǎn)化成移動副，取小構(gòu)件大。3.4何謂“曲柄”？鉸鏈四桿機構(gòu)有曲柄的條件如何？答：曲柄：能做整周運動的連架桿。 條件：桿長條件，最短桿為連架桿或機架。3.5何為搖桿的“行程速比系數(shù)”？它能說明什么問題？何謂“極位夾角”？設(shè)計四桿機構(gòu)時如何利用這個條件？答： K急回特性越明顯。 極位夾角

22、：搖桿處于兩極限位置時，對應(yīng)區(qū)柄位置線所夾的銳角，利用機構(gòu)的兩極限位置處的幾何關(guān)系。3.6何謂連桿機構(gòu)的壓力角和傳動角？其大小對連桿的工作有何影響？設(shè)計時應(yīng)如何處理就有最大和最小角的位置安排合適？答：壓力角：力的方向與速度的方向所夾得銳角，為機構(gòu)此位置時的壓力角。 傳動角：壓力角的余角為。傳動越有利。為提高機械的傳動效律 ,對于一些承受暫高峰載荷的機械應(yīng)設(shè)法利用其具有最大傳動角的位置來承擔(dān)高峰載荷，而是使其具有最小傳動角的位置。剛好處于工作阻力最小的過程中。3.7是否所有四桿機構(gòu)都存在死點？什么情況下出現(xiàn)死點？機構(gòu)處于死點位置時有何特征？答：否，曲柄搖桿機構(gòu)中，當(dāng)搖桿為主動件時，共線時。 通過連桿架與曲柄的力將通過曲柄轉(zhuǎn)動中心，（）不能驅(qū)動曲柄轉(zhuǎn)動。3.8試